生物學(xué)年齡評估方法研究進(jìn)展

戴一鳴 劉詩琪 陳金明 劉浩然 許香怡 徐敏

摘 要： 生物學(xué)年齡是通過衰老相關(guān)的生物學(xué)標(biāo)志物間接評價(jià)人體衰老程度的一種標(biāo)準(zhǔn)。衰老的生物學(xué)標(biāo)志物是一組能夠分析機(jī)體功能狀態(tài)的生物學(xué)指標(biāo)，與年齡有著定量或者定性的關(guān)系，不僅能評定衰老程度而且能夠監(jiān)測衰老過程。篩選出可靠且易測的標(biāo)志物，是對生物學(xué)年齡進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確評價(jià)的前提。本文從生物細(xì)胞學(xué)、表觀遺傳學(xué)、化學(xué)分子、免疫功能、自主神經(jīng)功能等方面綜述了國內(nèi)外關(guān)于衰老的生物學(xué)標(biāo)志物的研究現(xiàn)狀，并對生物學(xué)年齡評估方法未來的發(fā)展提出了思考與展望。

關(guān)鍵詞： 衰老;生物學(xué)年齡;生物學(xué)標(biāo)志物

Research progress of the methods to evaluate biological age

DaiYiming LiuShiqi ChenJinming LiuHaoran XuXiangyi Xu Min

Bengbu Medical College Department of Medical Imaging AnhuiBengbu 233030

Abstract： Biological age is a standard to evaluate the degree of human aging indirectly through biological markers which are related to caducity.The markers of aging are a group of biological indicators that can analyze the functional state of the body and have a quantitative or qualitative relationship with age.They can not only assess the degree of aging but also monitor the aging process.Screening out the markers which are reliable and easy to measurable is the premise of scientific and accurate evaluation of biological age.The paper has summarized the status of biological markers of aging in China and abroad in terms of biological cytology，epigenetics，chemical molecules，immune function，autonomic nerve function.And on this basis，the future development of methods to evaluate biological age has been put forward.

Key words： aging;biology age;biomarker

1 緒論

衰老是生命現(xiàn)象中一個(gè)復(fù)雜的過程，可以定義為細(xì)胞、組織和器官的功能和完整性逐漸降低，從而導(dǎo)致疾病及與疾病相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)增加，并最終導(dǎo)致死亡[1]。衰老具有普適性和有害性，存在于人類的不同生命階段，能夠使生命體各系統(tǒng)衰敗、健康水平下滑、對外界刺激的調(diào)節(jié)功能減弱，對疾病尤其是衰老性疾病的抵御能力嚴(yán)重降低。為了應(yīng)對衰老帶來的健康問題，尋找一種能夠?qū)λダ铣潭冗M(jìn)行科學(xué)評估的方法是必要的。

日歷年齡，即生命經(jīng)歷的時(shí)間長度，是目前人們衡量個(gè)體衰老程度最常用的指標(biāo)。但是，日歷年齡反映的只是個(gè)體生存時(shí)間的長短，由于遺傳因素、生活方式、精神狀態(tài)、日常環(huán)境等因素的影響，人類衰老的進(jìn)程未必一致，此時(shí)，日歷年齡便無法真實(shí)體現(xiàn)個(gè)體的衰老程度。為此，相關(guān)研究人員提出了生物學(xué)年齡的概念，即在個(gè)體相對于日歷年齡同齡人功能狀態(tài)的基礎(chǔ)上，能夠評價(jià)個(gè)體功能狀態(tài)的生物學(xué)指標(biāo)或參數(shù)。生物學(xué)年齡的研究有助于辨識因生物學(xué)衰老而導(dǎo)致相關(guān)功能障礙的個(gè)體，可以預(yù)防早衰及實(shí)現(xiàn)健康老齡化，是定量分析個(gè)體生物學(xué)衰老的基礎(chǔ)。目前生物學(xué)年齡的評估方法主要是通過分析人體當(dāng)中與衰老相關(guān)的生物學(xué)標(biāo)志物（生物學(xué)指標(biāo)）與年齡之間的定量或定性關(guān)系間接實(shí)現(xiàn)的。美國老齡化研究聯(lián)合會（AFAR）制定了這些生物標(biāo)志物的標(biāo)準(zhǔn)[2]：（1）與年齡有定量關(guān)系，相關(guān)性愈密切，靈敏度愈高;（2）監(jiān)測對象必須是老化過程背后的基本生命過程，而不是疾病產(chǎn)生的影響;（3）能夠反復(fù)測試并且對人體無創(chuàng);（4）必須適用于人類和實(shí)驗(yàn)室動物;（5）此標(biāo)志不受疾病、代謝或營養(yǎng)影響而變化;（6）能影響衰老進(jìn)程的因素亦能影響此標(biāo)志?，F(xiàn)有發(fā)現(xiàn)的這些生物學(xué)標(biāo)志物均有一定的局限性，不能完全滿足AFAR所有的標(biāo)準(zhǔn)。本文從生物細(xì)胞學(xué)、表觀遺傳學(xué)、化學(xué)分子、免疫功能、自主神經(jīng)功能等五個(gè)角度對衰老的生物學(xué)標(biāo)志物及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

2 衰老的生物學(xué)標(biāo)志物及其研究現(xiàn)狀

2.1 端粒與端粒酶

端粒是由堿基重復(fù)序列（5-TTAGGG-3）和端粒結(jié)合蛋白組成的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物，對維持染色體的穩(wěn)定性，控制細(xì)胞分裂周期十分重要。端粒與人類的衰老有著密切的關(guān)系，大量研究已經(jīng)證實(shí)，端粒長度隨年齡的增長而縮短。1990年，Calvin Harley通過對比癌癥和正常人的皮膚、血液、造血系統(tǒng)、骨骼肌和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等組織中的端粒長度和端粒酶活性研究發(fā)現(xiàn)[3]，正常體細(xì)胞中，一個(gè)或多個(gè)染色體上的端粒大量丟失會導(dǎo)致細(xì)胞衰老，端粒越短，衰老越快。在此基礎(chǔ)上，dAdda di Fagagna F等[4]通過染色質(zhì)免疫沉淀和全基因組掃描等實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，衰老細(xì)胞的染色體末端（即染色體端粒）直接參與DNA損傷反應(yīng)。當(dāng)端粒縮短到一定程度時(shí)，將引起DNA損傷，稱為衰老的增值潛能衰竭，使細(xì)胞分裂周期停止，從而導(dǎo)致細(xì)胞衰老。Atzmon G等[5]在以端粒長度作為衰老的生物標(biāo)記物的基礎(chǔ)上，通過一組德系猶太人，包括百歲老人、其后代和后代配偶之間的對照中發(fā)現(xiàn)，端粒長度與人的壽命密切相關(guān)。并探究了聯(lián)系端粒與衰老及相關(guān)疾病的遺傳機(jī)制，百歲老人及其后代將保持更長的端粒，且更長的端粒攜帶者往往具有更好的認(rèn)知功能、更健康的脂質(zhì)分布以及更好的抗衰老相關(guān)疾病的能力。Geoff等[6]對2186份端粒長度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)端粒長度與年齡呈負(fù)相關(guān)。Tsuji等[7]建立了人外周血單核細(xì)胞端粒平均長度與年齡之間的直線方程，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.832。Kammori等[8]對人體甲狀腺和甲狀旁腺的研究發(fā)現(xiàn)，在成年早期無端?？焖倏s短，但在50歲以后出現(xiàn)端?？s短。

端粒長度在同一個(gè)體不同細(xì)胞中差別較大，而且具有組織特異性。此外，同一組織細(xì)胞在各個(gè)年齡段端粒長度隨年齡縮短也不均衡。這些問題在一定程度上限制了端粒長度在衰老評估中的實(shí)際應(yīng)用。

2.2 DNA甲基化水平

衰老的過程導(dǎo)致細(xì)胞和分子水平的一系列變化，包括衰老、端粒縮短和基因表達(dá)，表觀遺傳模式也會隨之改變，這表明表觀遺傳變化可能是衰老過程的一個(gè)重要組成部分。表觀遺傳標(biāo)記被研究得最多的是DNA甲基化，即甲基在CPG二核苷酸上的存在。這些二核苷酸通常位于基因啟動子附近，并與基因表達(dá)水平相關(guān)。

DNA甲基化（DNAm），是指DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化S一腺苷甲硫氨酸上的甲基轉(zhuǎn)移至DNA分子中胞嘧啶環(huán)第5位碳原子上并形成5—甲基胞嘧啶（5—mC）的過程，其特征在于在胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤（CPG）位點(diǎn)向胞嘧啶核苷酸添加甲基[9]。研究發(fā)現(xiàn)5-甲基胞嘧啶的含量隨年齡的增長而下降，即衰老中普遍存在著基因組DNA甲基化（DNAm）水平下降的趨勢[10，11]，并且發(fā)現(xiàn)了一些位點(diǎn)特異性的模式，某些CPG位點(diǎn)與年齡高度相關(guān)。在樣本中選取與年齡有關(guān)的CPG位點(diǎn)，使用數(shù)據(jù)縮減技術(shù)得出一個(gè)集合，此集合中位點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性較低，再利用回歸方法處理，構(gòu)建多變量回歸模型可以預(yù)測生物學(xué)年齡。Sven等[12]研究了34名年齡在21至55歲之間的樣本，在大約80個(gè)基因中鑒定了88個(gè)位點(diǎn)，其中甲基化程度與年齡顯著相關(guān)（r>0.57），多變量線性模型預(yù)測的年齡與實(shí)際年齡密切相關(guān)（r=0.83）。

然而，利用DNA甲基化水平評估衰老也存在著一些不足。如DNA甲基化在所有基因組位置都不相同，通常高度甲基化的區(qū)域，傾向于失去DNA甲基化，而未甲基化的區(qū)域，傾向于獲得DNA甲基化[13]，且DNA甲基化水平下降速度具有個(gè)體差異性、性別差異性及組織特異性。

2.3 羧乙基吡咯

羧乙基吡咯（carboxyethylpyrrole，CEP）是一種脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物，主要是在大腦和視網(wǎng)膜細(xì)胞膜中由二十二碳六烯酸酯（docosahexaenoic，DHA）的磷脂在氧化自由基作用下形成[14]的。衰老實(shí)質(zhì)上是一種持續(xù)的應(yīng)激狀態(tài)，CEP氧化可以形成應(yīng)激反應(yīng)引起β-半乳糖苷酶活性上升從而導(dǎo)致衰老。Orban等[15]測量了日本22例生物年齡衰老患者及正常對照患者大腦中的DHA的含量，研究發(fā)現(xiàn)生物年齡衰老患者DHA的含量比健康個(gè)體增加約32%，因此推測DHA氧化后的產(chǎn)物CEP可以作為氧化應(yīng)激的標(biāo)記，即可以作為生物年齡衰老的標(biāo)記物之一。此外，Gu等[16]用酶聯(lián)免疫吸附測定法對916個(gè)生物年齡衰老患者和488個(gè)對照體血清中CEP氧化物進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)衰老者血清中CEP氧化物含量是對照體的1.6倍。Daniel Ardeljan等[17]提出CEP在評估老年性黃斑變性（age-related macular degeneration，AMD）中具有廣闊的研究前景。CEP免疫反應(yīng)水平以及抗CEP自身抗體濃度，在AMD患者體內(nèi)都顯著升高。當(dāng)與基因組AMD標(biāo)志物協(xié)同對AMD易感性進(jìn)行評估，可以達(dá)到80%的準(zhǔn)確率。并通過動物模型進(jìn)行多組對照實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了CEP可以作為AMD的血漿生物標(biāo)志物。Hua Wang[18]等人比對正常人和AMD患者血液CEP水平，發(fā)現(xiàn)AMD患者血漿中CEP水平是正常血漿的4.6倍，進(jìn)一步驗(yàn)證了CEP是臨床評估衰老相關(guān)疾病風(fēng)險(xiǎn)的生物學(xué)標(biāo)志物以及監(jiān)測治療干預(yù)的有效工具。

CEP作為生物標(biāo)記物在判斷生物年齡老化原因、監(jiān)測生物年齡老化患者、炎癥預(yù)防及治療干預(yù)等方面具有很大的應(yīng)用前景。

2.4 免疫細(xì)胞和免疫分子

生物衰老常伴隨著衰老相關(guān)性疾病的發(fā)生，這與衰老過程中出現(xiàn)免疫系統(tǒng)衰退的現(xiàn)象有關(guān)。免疫系統(tǒng)的衰退會導(dǎo)致機(jī)體對腫瘤和病原體的抵抗力下降，使慢性炎癥產(chǎn)生的概率升高，慢性炎癥概率的增加又使得與衰老相關(guān)的疾病發(fā)病率升高。樹突狀細(xì)胞（dendritic cell，DC）屬于機(jī)體非特異性免疫應(yīng)答的組成成分。李娜等人對免疫細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)[19]，老年人的漿細(xì)胞樣樹突狀細(xì)胞（plasmacytoid dendritic cell，pDC）受到刺激后分泌干擾素IFN-Ⅰ和IFN-Ⅲ的能力降低，向CD4+T細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞提呈抗原的能力也降低，導(dǎo)致老年人的免疫應(yīng)答能力減弱，機(jī)體防御力降低，引發(fā)衰老相關(guān)疾病。免疫球蛋白G（IgG）是血液中一種介導(dǎo)多種免疫反應(yīng)的糖蛋白，它的糖基化水平與體內(nèi)炎癥反應(yīng)的調(diào)控密切聯(lián)系，在許多免疫性疾病的發(fā)生和發(fā)展過程中有重要影響。王嵬等[20]利用Clin-TOF飛行時(shí)間質(zhì)譜儀證明了分析免疫球蛋白G的糖基化水平可以預(yù)測生物年齡。通過免疫球蛋白G的糖基化水平與年齡的相關(guān)模式可以建立起以糖基化水平為基礎(chǔ)的生物年齡預(yù)測模型，可為亞健康狀態(tài)、炎性疾病和免疫性疾病的診斷提供新策略。

2.5 心率變異性

自主神經(jīng)，也叫自律神經(jīng)或植物神經(jīng)，是在無意識狀態(tài)下調(diào)節(jié)人體臟器、血管、汗腺等所有器官機(jī)能的神經(jīng)。簡單來說，自主神經(jīng)可分為交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)。正常情況下植物神經(jīng)系統(tǒng)的活性較高，交感神經(jīng)及迷走神經(jīng)之間的相互作用處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)能力較好。隨著生物學(xué)年齡的增長，這種平衡逐漸被打破，植物神經(jīng)系統(tǒng)活性降低，調(diào)節(jié)能力減弱。心率變異性（Heart rate variability，HRV）是指連續(xù)正常（竇性）心動周期之間時(shí)間上的微小差異，是美國心臟協(xié)會和歐盟心臟病委員會公認(rèn)的定量評估人體植物神經(jīng)系統(tǒng)功能狀態(tài)的最佳方法[21]。HRV分析一般從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面進(jìn)行。時(shí)域分析法中主要指標(biāo)有SDNN（全部竇性心搏R-R間期的標(biāo)準(zhǔn)差）和PNN50（相鄰R-R間期差>50ms的個(gè)數(shù)占總心跳次數(shù)的百分比）。SDNN的值降低表明植物神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力減弱，PNN50的值降低表明迷走神經(jīng)活性降低，均會導(dǎo)致HRV降低。頻域分析法中主要指標(biāo)為HF（高頻指標(biāo)），LF（低頻指標(biāo)）及LF/HF（反映交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)相互作用的動態(tài)指標(biāo)）。HF的值反映迷走神經(jīng)活性，HF的值升高，迷走神經(jīng)活性增強(qiáng)，HRV升高。LF反映交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的復(fù)合調(diào)節(jié)功能。LF/HF的值升高反映在交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)相互作用中，交感神經(jīng)的支配占主導(dǎo)地位。以上均可定量描述植物神經(jīng)的總體活性以及交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的平衡性。相關(guān)研究表明，這些參數(shù)大部分隨年齡變化而變化，一般呈負(fù)相關(guān)[22-27]。然而，頻域分析方法僅適用于穩(wěn)定周期過程，一過性瞬態(tài)變化過程（如心率加速或減速）會使分析效果變差;時(shí)域分析雖然對非穩(wěn)態(tài)不敏感，但受偶發(fā)性RR間期跳動的影響較大。近年來，眾多非線性的概念和方法也被應(yīng)用于HRV序列的分析中。2002年，Goldberger等[28]在《Aging》雜志中發(fā)表評論文章，使用了生理復(fù)雜度這一概念來描述生理系統(tǒng)的非線性特征，并指出復(fù)雜度具有豐富的內(nèi)涵：混沌或分形都是評估復(fù)雜度的一種方式，因而混沌或分形系統(tǒng)都具有較高的復(fù)雜度;由于正常生理系統(tǒng)具有明顯的混沌和分形特征，健康人群應(yīng)具有較高的生理復(fù)雜度，可通過諸如HRV等時(shí)間序列的分析來評價(jià)。該文章客觀總結(jié)并闡釋了“衰老引發(fā)復(fù)雜度丟失”這一理論，使其成為本領(lǐng)域相關(guān)研究的基本支撐觀點(diǎn)而存在。2010年，Schumann等[29]引入相位校正信號平均技術(shù)對180例不同年齡階段的健康受試者進(jìn)行分析，該技術(shù)其主要關(guān)注HRV序列中的下降模式因而其對迷走神經(jīng)興奮性極為敏感，研究結(jié)果仍支持“復(fù)雜度隨年齡增加而降低”這一理論。近年來，Voss等[30，31]使用了時(shí)域、頻域的線性指標(biāo)以及包括香農(nóng)熵、去趨勢波動分析、符號熵和散點(diǎn)圖分析在內(nèi)的非線性參數(shù)，分析了5個(gè)年齡組健康人的短時(shí)HRV變化情況，是嚴(yán)格意義上對年齡影響規(guī)律進(jìn)行的首次探討，但是并沒有給出定量的數(shù)學(xué)模型。

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基金項(xiàng)目： 蚌埠醫(yī)學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：BYKY1871）